《振动检测》PPT课件.ppt

第十章振动检测 制作 孟现柱mengxz12 10 1振动的概念 机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动 在大多数情况下 振动是有害的 它对仪器设备的精度 寿命和可靠性都会产生影响 振动也有可以被利用的一面 如输送 清洗 磨削 监测等 10 1 1振动的分类 1 从产生振动的原因来分 系统仅受到初始条件 初始位移 初始速度 的激励而引起的振动称为自由振动 系统在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动 10 1 1振动的分类 2 振动信号按时间历程 可将振动分为确定性振动和随机振动两大类 确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动 10 1 2简谐振动 周期振动包括简谐振动和复杂周期振动 简谐振动为单自由度无阻尼系统的自由振动 是以正弦或余弦函数或统称为谐波函数表示的 10 1 2简谐振动 简谐振动的动力学特征F kx其振动方程其振幅和初相角由初始条件所确定 10 1 2简谐振动 单自由度无阻尼的自由振动是等幅振动 其周期系统的固有频率仅由系统本身的参数所确定 而与外界激励 初始条件等均无关 10 1 3有阻尼的自由振动 当系统受到阻尼时 系统克服阻尼的作用要做功 消耗机械能 因而振幅减小 最后停下来 这种振幅逐渐减小的振动 叫做阻尼振动 10 1 4复合周期振动 复合周期振动是由两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合而成 10 1 5准周期振动 非周期振动包括准周期振动和瞬态振动 准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成 在这些不同频率的简谐分量中 总会有一个分量与另一个分量的频率的比值为无理数 因而是非周期振动 10 1 6瞬态振动 冲击 瞬态振动是指在极短时间内仅持续几个周期的振动 特点 冲击是单个脉冲 过程突然发生 持续时间短 能量很大 通常它由零到无限大的所有频率的谐波分量构成 10 1 7随机振动 随机振动是一种非确定性振动 它只服从一定的统计规律 可分为平稳随机振动和非平稳随机振动 平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动 没有确定的周期 振动量与时间也无一定的关系 10 1 8受迫振动 1 受迫振动分两种情况 1 由作用在质量块上的驱动力所引起的受迫振动 2 由基础运动所引起的受迫振动2 在受迫振动中 当驱动力的频率接近物体的固有频率时 稳定受迫振动的位移振幅出现最大值的现象 叫做位移共振 简称共振 10 2振动测量原理和方法10 2 1振动测量原理 振动检测按原理分为 相对式和绝对式 1 相对式测振仪的原理是在测量时 把仪器固定在不动的支架上 使触杆与被测物体的振动方向一致 并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触 当物体振动时 触杆就跟随它一起运动 并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线 根据曲线可以计算出位移的大小及频率等参数 10 2 1振动测量原理 2 惯性式机械测振仪测振时 是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上 当传感器外壳随被测振动物体运动时 由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动 则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值 然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式 即可求出被测物体的绝对振动位移波形 10 2 2振动测量方法 振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法 机械法和光学法 下表 表10 1振动测量方法分类 10 2 3振动传感器 在现代振动测量中 一般用电测的方法 将振动运动转变为电学 或其它物理量 信号的装置称为振动传感器 振动传感器在测试技术中是关键部件之一 它的作用是将机械量接收并转换为对应的电量 10 2 3振动传感器 1 根据被测振动运动是位移 速度还是加速度 可以将振动传感器分为位移传感器 速度传感器和加速度传感器 位移常用来研究机械结构的强度和变形 亦被用来指示旋转机件的不平衡 加速度由于它和作用力及负载成比例 常用来研究机械的疲劳 冲击等 现在用于评价振动对人体的影响 振动的速度和噪声的大小有直接关系 10 2 3振动传感器 2 从力学原理上 振动传感器又可分为绝对式传感器和相对式传感器 相对式传感器测量振动体待测点与固定基准的相对运动 这时 由传感器敏感组件直接将此相对运动 即振动体的运动 转变为电信号 相对式传感器又可分为接触式和非接触式两种 10 2 3振动传感器 绝对式传感器测量振动物体的绝对运动 把振动传感器基座固定在振动体待测点上 绝对式振动传感器的主要力学组件是一个惯性质量块和支承弹簧 质量块经弹簧与传感器基座相连 在一定频率范围内 质量块相对基座的运动 位移 速度和加速度 与作为基础的振动物体的振动 位移 速度 加速度 成正比 传感器敏感组件再把质量块与基座的相对运动转变为与之成正比的电信号 从而实现绝对式振动测量 10 2 3振动传感器 3 从电学原理上 根据所采用的将力学量转变为电学量的传感器敏感组件的性质 振动传感器又可分为电感型 电动型 电涡流型 压电型等 10 2 3振动传感器 1 压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理 机电部分是压电晶体的正压电效应 利用晶体的压电效应 可以制成测力传感器 在振动测量中 由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力 所产生的电荷数与加速度大小成正比 所以压电式传感器是加速度传感器 10 2 3振动传感器 2 在振动试验中 除了测量振动 还经常需要测量对试件施加的动态激振力 压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应 即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比 阻抗头 3 阻抗头集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体 前端是力传感器 后面为测量激振点响应的加速度计 作用是在测量激振力的同时测量该点的运动响应 保证测量点的响应就是激振点的响应 使用时将测力端连向结构 测量加速度与激振器的施力杆相连 从 力信号输出端 测量激振力的信号 从 加速度信号输出端 测量加速度的响应信号 1 力敏压电片 2 加速度信号输出 3 安装面 4 外壳 5 质量块 6 加速度敏压电片 7 力信号输出 8 硅橡胶密封圈 9 驱动端面 10 2 3振动传感器 4 相对式电动式传感器基于电磁感应原理 即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时 导体两端就感生出电动势 相对式电动传感器从机械接收原理来说 是一个位移传感器 由于其机电变换原理是电磁感应电律 其产生的电动势同被测振动速度成正比 所以它实际上是一个速度传感器 10 2 3振动传感器 5 惯性式电动传感器由固定部分 可动部分以及支承弹簧部分所组成 从传感器的结构上来说 惯性式电动传感器是一个位移传感器 然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生 根据电磁感应电律 当线圈在磁场中作相对运动时 所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比 因此就传感器的输出信号来说 感应电动势是同被测振动速度成正比的 所以它实际上是一个速度传感器 10 2 3振动传感器 6 电容式传感器一般分为两种类型 即可变间隙式和可变公共面积式 可变间隙式可以测量直线振动的位移 可变面积式可以测量扭转振动的角位移 10 2 3振动传感器 7 电涡流式传感器是一种相对式非接触式传感器 它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的 电涡流传感器具有频率范围宽 0 10kHZ 线性工作范围大 灵敏度高以及非接触式测量等优点 主要应用于静位移的测量 振动位移的测量 旋转机械中监测转轴的振动测量 10 2 3振动传感器 8 电感式传感器依据传感器的相对式机械接收原理 电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化 因此 电感传感器有二种形式 一是可变间隙 二是可变导磁面积 10 2 3振动传感器 9 电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量 最常见的是电阻应变式的传感器 电阻应变片的工作原理为 应变片粘贴在某试件上时 试件受力变形 应变片原长变化 从而应变片阻值变化 其中在试件的弹性变化范围内 应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比 10 2 3振动传感器 10 10 2 3振动传感器 测量位移主要使用电涡流传感器 其结构简单 灵敏度高 线性好 频率范围宽 0 10kHz 抗干扰性强 因此广泛应用于非接触式振动位移测量 尤其是大量应用大型旋转机械上监测轴系的径向振动和轴向振动 测量速度主要使用电动式速度传感器 又分为相对式和绝对式 其灵敏度高 特别是在几百Hz以下的频率范围内 其输出电压较大 此外 它的线圈阻抗较低 因而对与它相配的测量仪器的输入阻抗 连接电线的长度及质量要求都较低 通过电子线路的微分或积分可获得振动的加速度值和位移值 测量加速度主要使用压电式传感器 又称加速度传感器或加速度计 加速度计是一种压电换能器 它能把振动或冲击的加速度转换成与之成正比的电压 或电荷 加速度计具有体积小 重量轻 频响宽 耐高温 稳定性好及无须参考位置等优点 由于它的脉冲响应优异 更适合于冲击的测量 10 2 3振动传感器 振动传感器的技术性能主要有 1 频率特性 包括幅频特性和相频特性 2 灵敏度 电信号输出与被测振动输入之比 3 动态范围 可测量的最大振动量与最小振动量之比 4 幅值线性度 理论上在测量频率范围内传感器灵敏度应为常数 即输出信号与被测振动成正比 实际上传感器只在一定幅值范围保持线性特性 偏离比例常数的范围称为非线性 在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围 5 横向灵敏度 实际传感器除了感受测量主轴方向的振动 对于垂直于主轴方向的横向振动也会产生输出信号 横向灵敏度通常用主轴灵敏度的百分比来表示 从使用观点看 横向灵敏度越小越好 一般要求小于3 5 10 2 4振动分析仪器 从振动传感器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析处理 以提取出各种有用的信息 目前常见的振动分析仪器有测振仪 频率分析仪 FFT分析仪和虚拟频谱分析仪等 10 2 4 1测振仪 测振仪或通用振动计是用于测量振动加速度 速度 位移的仪器 可以测量机械振动和冲击振动的有效值 峰值等 频率范围从零点几赫兹 几千赫兹 通用振动计由加速度传感器 电荷放大器 积分器 高低通滤波器 检波电路及指示器 校准信号振荡器 电源等组成 工作原理如图 10 2 4 2频率分析仪 模拟量频谱分析仪是目前仍较常用的分析设备 它主要由模拟带通滤波器组成 振动信号转换成电信号后 经中间变换电路输入频率分析仪 手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析 常用的频率分析仪有恒定百分比带宽分析仪 恒定带宽分析仪 1 3倍频程分析仪和实时分析仪等 10 2 4 3FFT分析仪 随着计算机技术和数字信号处理技术的发展 用数学方式处理振动测量信号已日益广泛使用 以微处理器为核心和以快速傅里叶变换 FFT 算法为基础的数字分析仪 精度高 动态范围大 功能多 性能稳定 抗干扰能力强 体积小 重量轻 便于携带到现场 尤其是分析的速度远远地高于模拟式频谱分析仪 10 2 4 4虚拟频谱分析仪 虚拟仪器是仪器技术与计算机技术高度结合的产物 虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统 通常包括计算机图形软件 数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等 也包括少量的仪器硬件 例如数据采集硬件 以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等 目前可进行频谱分析的虚拟仪器产品有DS02100 DS02902 DS02904 PCS500 HS801和SDS200等 和传统的FFT分析仪相比 具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口 采样速率和频谱二进制数 且价格低 技术更新快 具有灵活的开放功能等 10 3振动参量的测量 振动参量是指 振幅 频率 相位角和阻尼比等物理量 10 3 1振幅的测量 振动量的幅值是时间的函数 常用峰值 峰峰值 有效值和平均绝对值来表示 峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离 峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离 在考虑时间过程时常用有效 均方根 值和平均绝对值表示 有效值Zrms和平均绝对值Z分别定义为 对于谐振动而言 峰值 有效值和平均绝对值之间的关系为 式中 Zf为振动峰值 10 3 1振幅的测量 10 3 2谐振动频率的测量 谐振动的频率是单一频率 测量方法分直接法和比较法 直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率 常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法 录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示 根据它们在波形图上的周期或频率比 算出振动信号的周期或频率 李沙育图形法是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y轴及x轴 根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率 10 3 3相位角的测量 测定同频两振动间的相位差常用直读法和比较法 直读法是利用各种相位计直接测定 比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种 录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差 求出相位差 李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差 10 3 4机械阻抗测量 振动测量从本质上说属动态测量 测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号 振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析 找出系统的动态特性参数 包括固有频率 固有振型 模态质量 模态刚度 模态阻尼比等 振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础 10 3 4 1机械阻抗与机械导纳 机械阻抗Z与机械导纳M的一般定义为 5 23 5 24 机械系统的激励F一般是力 系统的响应R可用位移 速度和加速度来表达 故机械阻抗和机械导纳又各有三种形式 位移阻抗又称为动刚度 位移导纳称为动柔度 速度阻抗称为机械阻抗 速度导纳简称导纳 加速度阻抗又称为视在质量 加速度导纳又称为机械惯性 在评价结构抗振能力时常用动刚度 在共振区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一 在分析振动对人体感受影响时 常用速度阻抗 在分析振动引起的结构疲劳损伤时 常用机械惯性 在分析车厢等振动 噪声时则常用速度导纳 10 3 4 1机械阻抗与机械导纳 机械阻抗测试是在结构上施加激振力 同时测量力和响应 按激励方式的不同 测试方法通常分为稳态正弦激励测试 随机激励测试和瞬态激励测试三种 10 3 4 2稳态正弦激励测试 稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力 稳定幅值和频率的正弦信号 测出激励大小和响应大小 便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小 它具有能量集中 精度高等优点 可分为单点激励和多点激励 单点激励就是采用一个激振器 对结构上某一点进行激励 多点激励是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励 图稳态正弦激励测试原理框图 激励系统一般由正弦信号发生器 功率放大器和电磁激振器组成 测量系统由跟踪滤波器 峰值电压表和相位计组成 瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号 它属于一种宽频带激励 即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应 它是一种快速测试方法 由于测试设备简单 灵活性大 常在生产现场使用 目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描 脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法 下面介绍 10 3 4 3瞬态激励测试 10 3 4 3 1快速正弦扫描 这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内在数秒内作快速扫描 激振信号频率在扫描周期T内成线性增加 而幅值保持恒定 扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线 从而能达到宽频带激励的目的 10 3 4 3 2脉冲锤击激励 脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击 给系统施加一个脉冲力 使之发生振动 由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线 所以它是一种宽频带的快速激励方法 脉冲锤 脉冲锤是锤击法的主要激振设备 由锤头 测力计 附加质量和锤柄四部分组成 通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器 以测量被测系统所受锤击力的大小 一般来说 锤击力的大小是由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的 脉冲锤结构 图脉冲锤击法测试原理框图 10 3 4 3 2脉冲锤击激励 10 3 4 3 2脉冲锤击激励 当用脉冲锤进行冲击激励时 它相当于对被测系统施加了一个半正弦波的力脉冲 如图 a 所示 该类脉冲的频谱如图 b 所示 在小于上限频率fe的频段内 脉冲的频谱基本上是平坦的 fe以后迅速下降 一般来说 激励的频率范围主要由接触表面刚度决定 锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短 上限额率fe越高 10 3 4 3 3阶跃松驰激励 1